近20年湟水流域地表水資源量及用水量變化規(guī)律與成因分析

汪清旭，時(shí) 璐,董勝虎

(1.青海省水文水資源測報(bào)中心，青海 西寧 810000；2.黃河水利委員會(huì)上游水文水資源勘測局，甘肅 蘭州 730030)

水資源的演變與利用關(guān)系到人類的生存與發(fā)展，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)[1]。湟水流域(不含大通河)多年平均地表水資源量為21.56億m3，占青海省地表量的3.4%，而湟水流域面積僅占青海省面積的2.3%，相對而言水資源較為豐富。但青海省內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，導(dǎo)致了水資源利用率較低，全省64.8%的人口、62.0%的耕地和工業(yè)園區(qū)都分布于湟水流域內(nèi)，人均占有水資源量為915.0m3，畝均耕地水資源量為634.0m3，不足全國水平的三分之一，是水資源缺乏地區(qū)。徑流年際年內(nèi)分配不均勻、氣候變化、極端天氣頻發(fā)及人類活動(dòng)加劇是導(dǎo)致湟水地區(qū)水資源缺乏的主要原因。在氣候變化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整、最嚴(yán)格水資源考核制度及青海省節(jié)約用水制度實(shí)施的背景下，湟水流域地表水資源量及用水結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，節(jié)約用水、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是目前解決好湟水流域缺水的主要手段。分析湟水流域近20年地表水資源量變化及水資源利用趨勢，認(rèn)識湟水流域水資源及用水變化規(guī)律，為未來湟水流域水資源演變及利用趨勢預(yù)估提供有效參考，對湟水流域水資源利用管理、調(diào)整用水結(jié)構(gòu)及節(jié)約用水具有重要意義。

近些年，許多學(xué)者對湟水流域水資源量變化和水資源缺乏的原因進(jìn)行了深入探討。祁文燕等通過湟水干流近60年徑流變化特征分析得出湟水流域徑流有減少的趨勢[2]；楊發(fā)源等通過湟水河流域水資源變化特征及其對應(yīng)氣候的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)氣溫升高、降水量減少和蒸發(fā)量增大是導(dǎo)致湟水河流域水資源減少的主要原因[3]；相震等通過湟水流域水資源承載狀況及水質(zhì)評價(jià)的分析得出湟水流域局部水污染是水資源利用失衡的主要原因[4]。盡管相關(guān)的研究豐富且深入，但是對湟水流域的用水變化趨勢研究較少，基于此，文章以《青海省水資源公報(bào)》為基礎(chǔ)，分析近20年來，湟水流域(不含大通河)地表水資源量及用水量變化規(guī)律，為水資源管理政策制定、高效節(jié)水方案編寫及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供一定的技術(shù)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況

湟水干流位于青海省東北部，地處青藏高原和黃土高原過渡地帶，介于北緯34°40′～37°28′，東經(jīng)98°30′～103°15′之間。西起日月山，東至甘肅永靖縣，北依達(dá)坂山將大通河與之分開，南以拉脊山為界與黃河干流水系相鄰。發(fā)源于海北州海晏縣境內(nèi)肯特達(dá)坂山的洪呼日哈尼南面，于甘肅永靖縣注入黃河，干流全長374km，流域面積為1.78萬km2。其中青海省內(nèi)流域面積1.61萬km2，占流域總面積的90.4%，干流流經(jīng)地為青海省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心，流域內(nèi)聚集著青海省2/3以上的人口，也是全省工農(nóng)業(yè)最集中的區(qū)域，因此，也將湟水稱為“青海省的母親河”。

1.2 數(shù)據(jù)資料

研究資料主要來源于《青海省水資源公報(bào)》和《青海省統(tǒng)計(jì)年鑒》?！肚嗪Ｊ∷Y源公報(bào)》中的數(shù)據(jù)通過水文部門核算后發(fā)布，數(shù)據(jù)資料具有可靠性、科學(xué)性和權(quán)威性，采用數(shù)據(jù)主要包括湟水流域地表水資源量、農(nóng)田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、居民生活用水及生態(tài)環(huán)境用水量，系列均為2000—2019年。社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于《青海省統(tǒng)計(jì)年鑒》，系列為2000—2018年。

1.3 研究方法

當(dāng)下對時(shí)間序列趨勢及顯著性檢驗(yàn)的方法有很多種，但由于時(shí)間序列的分布不同，有的方法適用于正態(tài)分布檢驗(yàn)，有的方法適用于非正態(tài)分布檢驗(yàn)。而地表水資源量與用水量的時(shí)間序列分布與非正態(tài)分布更為貼近，因此采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)和Mann-Kendall法對湟水流域地表水資源量和用水量進(jìn)行分析。首先采用EEMD法對地表水資源量和用水量進(jìn)行多尺度分解得到趨勢項(xiàng)(RES)，然后用Mann-Kendall法對趨勢項(xiàng)(RES)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1.3.1集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)

集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)是一種適合于處理非線性、非平穩(wěn)時(shí)間序列的方法。其優(yōu)勢在于不受時(shí)間尺度的影響，即便資料年限較短，分解后的趨勢項(xiàng)始終能保持物理上的唯一性，除去數(shù)據(jù)自身的周期性，能很好地反映出上升或下降的趨勢。對于原始信號x(t),EEMD分解表達(dá)式為

(1)

式中，t—信號在i固有尺度上的本征模函數(shù)(IMFs)；rn(t)—表信號分解后的趨勢項(xiàng)(RES)。

1.3.2Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，序列無須服從某種分布，也不受少數(shù)異值干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算較簡單，定量化程度高。其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式如下：

(2)

其中，

(3)

式中，S—正態(tài)分布，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng)n>10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量通過下式計(jì)算：

(4)

在雙邊趨勢檢驗(yàn)中，對于給定的α置信水平，若|Z|≥Z1-α/2,則原假設(shè)是不可接受的，即在α置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。對于統(tǒng)計(jì)變量Z，當(dāng)Z大于0時(shí)，是上升趨勢；當(dāng)Z小于0時(shí)，則是下降趨勢。Z的絕對值大于等于1.28、1.64、2.32時(shí)，分別通過了90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。本次計(jì)算采用|Z|=1.64來判斷時(shí)間序列上升或下降的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表水資源量變化

由圖1(a)可以看出，近20年來湟水流域地表水資源量呈波動(dòng)變化，與湟水流域豐平枯劃分的標(biāo)準(zhǔn)相比較，2002年屬枯水期，地表水資源量為17.9億m3；2007、2012、2014、2017、2018、2019年地表水資源量都大于20%的頻率值，屬豐水年，其余年份為平水年。

由圖1(b)可以看出，近20年湟水流域地表水資源量呈增加趨勢，通過對趨勢項(xiàng)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，得到|Z|=6.13>1.64，說明地表水資源量趨勢項(xiàng)變化顯著。

圖1 湟水流域地表水資源量

已有研究成果表明，湟水流域徑流變化與氣候和人類活動(dòng)有關(guān)。張調(diào)風(fēng)等就氣候和人類活動(dòng)對徑流影響給出了定量評估，其中氣候占35.46%，人類活動(dòng)占64.54%[5]?！肚嗪Ｊ∷Y源公報(bào)》中地表徑流已通過還原的方式消除了人類活動(dòng)對徑流的影響。因此，近20年以來湟水地區(qū)地表水資源量顯著增加是氣候因素起主導(dǎo)作用。

2.2 用水量變化

隨著青海省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及用水結(jié)構(gòu)的調(diào)整，湟水地區(qū)用水總量先后發(fā)生了兩次大的轉(zhuǎn)折。第一次轉(zhuǎn)折為2008年，用水總量由13.3571億m3(2000—2007年用水均值)減至11.7074億m3(2008—2011年用水均值)；第二次為2012年，用水總量減至9.2544億m3(2012—2019年均值)，20年以來湟水流域用水總量減少3.7192億m3，如圖2(a)所示。

從分解后的趨勢項(xiàng)(RES)可以看出，近20年湟水流域用水總量呈減少趨勢，|Z|=6.10>1.64，說明用水總量趨勢項(xiàng)變化顯著。同時(shí)，反映出了湟水地區(qū)用水總量由原來的粗放式、高耗水型向節(jié)約型、低耗水型轉(zhuǎn)變的趨勢，如圖2(b)所示。

圖2 湟水流域總用水量

從圖3中可以看出，農(nóng)田灌溉用水量比重最大，占總用水量的57.2%，2008年和2011年有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，都是由高向低轉(zhuǎn)變，近20年來農(nóng)田灌溉用水量減少了4.8741億m3，減幅為57.7%；工業(yè)用水量占總用水量的比重為18.0%，工業(yè)用水量主要經(jīng)歷了先增加后減少的變化過程，2000—2007年逐漸增加，尤其在2003年以后增幅較大，2003—2007年增加了1.4537億m3，2007年以后逐漸下降，到2012年基本保持與上一年持平的狀態(tài)，近20年來工業(yè)用水量減少了1.4817億m3，減幅為56.8%；居民生活用水量占總用水量的比重為9.2%，2000—2011年緩慢增加，2011年以后逐漸減少，2015年以后再次表現(xiàn)出增長趨勢，近20年來居民生活用水量增加了0.1835億m3，增幅為18.1%；林牧漁畜用水量占總用水量的比重為8.5%，近20年來林牧漁畜用水量逐漸增加，到2019年增加了1.4436億m3，增幅為232%；城鎮(zhèn)公共用水量占總用水量的比重為4.8%，近20年以來緩慢增長，到2019年增加了0.3255億m3，增幅為68.0%；生態(tài)環(huán)境用水量占總用水量的比重為2.3%，生態(tài)環(huán)境用水量2003年以后才被納入用水統(tǒng)計(jì)，2003年以來平穩(wěn)增加，到2019年達(dá)到0.684億m3。

圖3 湟水流域各行業(yè)用水量

通過集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EEMD)和非參數(shù)法(Mann-Kendall)分析，發(fā)現(xiàn)近20年來各行業(yè)用水結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻變化，各行業(yè)用水量采用集合模態(tài)分解的趨勢項(xiàng)如圖4所示。

圖4 各行業(yè)用水量趨勢項(xiàng)(RES)

農(nóng)田灌溉、工業(yè)、居民生活用水量的趨勢項(xiàng)呈顯著減少趨勢(|Z|=6.10>1.64，|Z|=6.10>1.64，|Z|=4.15>1.64)；林牧漁畜、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境用水量的趨勢項(xiàng)呈顯著增加趨勢(|Z|=5.13>1.64，|Z|=5.58>1.64，|Z|=5.60>1.64)。

20年以來湟水流域內(nèi)各行業(yè)用水結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，這與當(dāng)下社會(huì)發(fā)展及氣候變化息息相關(guān)，未來一段時(shí)間內(nèi)，用水總量系統(tǒng)不會(huì)達(dá)到平衡，尤其是林牧漁業(yè)、城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水量在未來一定時(shí)期內(nèi)會(huì)持續(xù)上升，這將對湟水流域后期水資源開發(fā)利用極其不利。

2.3 用水量變化成因分析

流域內(nèi)用水量變化是自然因素和社會(huì)發(fā)展共同作用的結(jié)果?；谝延醒芯砍晒鸞6-10]，文章選取降水、地表水資源量、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、作物播種面積、有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量及工業(yè)增加值等10個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行用水量變化的因子分析。

在主成分分析前，首先要判斷選擇的10個(gè)影響用水指標(biāo)是否符合因子分析，這就需要KMO檢驗(yàn)和Bartlett檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示KMO=0.75>0.5，Bartlett卡方統(tǒng)計(jì)值為293.9,自由度為45，P=0<0.01，因此選擇的10個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行因子分析。

通過主成分降維分析后，由表1可知，因子1、2的累計(jì)貢獻(xiàn)率為80.93%，大于80%，說明降維后的因子幾乎含蓋了全部的原始信號，僅有較少的信息丟失。由表2可知，降水量、地表水資源量、人口、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、糧食產(chǎn)量及工業(yè)增加值影響較大，可作為第一主要成分，貢獻(xiàn)率為62.32%；作物播種面積和有效灌溉面積影響次之，為第二主要成分，貢獻(xiàn)率為18.61%。詳見表1—2。

表1 主成分貢獻(xiàn)率

表2 主成分荷載矩陣

通過因子篩選，在湟水流域近20年來影響用水呈減少趨勢的驅(qū)動(dòng)因子中，降水、地表水資源量、人口、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增值、糧食產(chǎn)量和工業(yè)增加值為主要驅(qū)動(dòng)因子。降水和地表水資源量的多少直接影響農(nóng)業(yè)需水量，21世紀(jì)以來湟水流域降水和地表水資源量呈增加趨勢，有效減緩了區(qū)域內(nèi)土壤干旱程度，農(nóng)作物生長期從河道中獲取的水量減少，是農(nóng)田灌溉用水量下降的主要原因；而節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)和區(qū)域內(nèi)高耗水企業(yè)轉(zhuǎn)型，是工業(yè)用水量下降的主要原因。作物播種面積和有效灌溉面積產(chǎn)生的總驅(qū)動(dòng)力相對較小，這是由于20年以來作物播種面積和有效灌溉面積沒有明顯變化，再加上區(qū)域內(nèi)灌溉技術(shù)一直未得到改良，都是以粗放式的大水漫灌，因此對用水總量變化的驅(qū)動(dòng)力較弱。

3 結(jié)論

(1)湟水流域地表水資源量呈增加趨勢，用水總量呈減少趨勢，趨勢項(xiàng)變化顯著。從湟水流域各行業(yè)用水結(jié)構(gòu)看，農(nóng)田灌溉和工業(yè)用水是主要的用水大戶，占總用水量的75.2%。從變化趨勢來看，農(nóng)田灌溉用水、工業(yè)用水及居民生活用水呈下降趨勢，林牧漁畜用水、城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水呈上升趨勢，各行業(yè)趨勢項(xiàng)變化顯著。

(2)湟水流域用水結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還未達(dá)到平衡狀態(tài)，尤其是林牧漁畜、城鎮(zhèn)公共及生態(tài)環(huán)境用水量在未來一段時(shí)期內(nèi)仍會(huì)上升。

(3)人口、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增值、糧食產(chǎn)量和工業(yè)增加值是影響湟水流域用水結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子，降水量和地表水資源量因子的驅(qū)動(dòng)力次之，作物播種面積和有效灌溉面積對用水變化的驅(qū)動(dòng)力最小。